大型轉臺的力學仿真和結構優化設計

俞力峰，申 振

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

大型轉臺的力學仿真和結構優化設計

俞力峰，申 振

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

對大型一維測試系統轉臺的平臺結構進行了強度剛度仿真分析，發現在偏心負載的情況下，局部變形大，應力集中問題突出，存在一定的安全隱患。通過在平臺底面設置圓形軌道，并在軌道的8個均布位置設置非線性彈性支承輪提供支撐力，優化了整個平臺的受力情況，改變了鋼平臺在工作中所受的約束條件，大大提高了其動力學特性，保障了轉臺的安全平穩運行。

力學分析；有限元分析；彈性支承；非線性彈性支承輪

0 引 言

大型一維測試系統轉臺是根據某項目調試、測試需求所提出的，其實際回轉直徑達到11 m，實際負載達33 t。此測試轉臺主要由轉臺主體、伺服控制柜、動力電纜、桅桿艙室等組成，其中轉臺為一維方位轉動，由基座、轉臺臺面、傳動裝置、伺服控制系統等組成，桅桿艙室主要包括桅桿艙、空調、照明、冷卻管路和電纜管路等。除了需要通過雙電機消隙伺服控制來保證轉臺的轉動方位精度，平臺本身也需要一定的剛度和強度來減小在偏心負載和一定量的風載作用下結構變形對轉臺指向精度的影響。因此，需要通過力學仿真和結構優化來分析和優化結構設計的不足之處。

圖1為一維測試系統轉臺總體結構示意圖，露天平臺的2個矩形冷源重量分別達到3 t，內部設備重量可達6 t，上層艙體結構的重量也達到了12 t。其中，由9個大型焊接鋼構件拼裝而成的大型平臺為支撐上部結構和轉臺回轉主要受力件(如圖2)，其結構設計尤為重要。本文主要通過對鋼平臺的強度剛度分析來研究鋼平臺的承載力學性能，通過在鋼平臺底部設計圓形軌道，并添加彈性支撐的方式來優化鋼平臺的受力情況，以降低偏心載荷和風力矩帶來的安全風險。

圖1 一維系統轉臺總體結構示意圖

圖2 拼裝式鋼平臺

1 強度剛度分析

鋼平臺的強度剛度分析需要計算支撐架在受最大靜載荷情況下的應力和變形值。強度分析通過Von Mises準則校核：

(1)

式中：σvM為Mises應力；σ1、σ2、σ3為第一、第二、第三主應力；σc為臨界應力值[1]。

變形值不應對內部非金屬零件造成影響。

轉盤模型參考8片拼裝結構，加強筋的布置和抗彎性與設計結構保持一致，并在周圍設置防傾覆支撐軌道。為簡化建模和計算過程，對轉盤的拼裝結構采用了一體化處理，刪除了一些安裝孔。為了不影響計算可信度，對拼裝處進行了弱化處理，最后總體尺寸最大處為9 000 mm，厚度為300 mm，結構總重9 t。

在載荷加載之前按照實際情況劃分加載區域如圖3所示，材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為208 Gpa，泊松比0.28，網格劃分采用四面體。

圖3 簡化后的平臺示意

首先在轉盤中心安裝回轉支撐的位置和防傾覆軌道支撐位置加載位移約束，再加載重力載荷；然后按照實際載荷布置加載冷源、艙體結構和中心柱位置，加載壓力載荷共24 t；最后加載因風力載荷產生的傾覆力矩200 000 Nm，加載方向為載荷偏心方向以模擬極限狀態。載荷加載效果如圖4所示[2,4]。

圖4 載荷加載示意圖

Mises應力及位移計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 Mises應力云圖

圖6 位移云圖

由仿真計算可知，在沒有軌道支撐的情況下，轉盤的最大應力達到138 Mpa，發生在斜支撐根部，最大變形位移達到12 mm。

2 結構優化

根據以上計算結果，轉盤在極限載荷下存在較大安全隱患。考慮在平臺底部加裝一環形軌道，并利用彈性支撐輪平均分布在周圈8個位置提供支撐。支撐的形式為將支撐輪倒置固定在水泥基座上，軌道則跟隨轉盤轉動。其中支撐輪的結構形式如圖6所示。上部為滾輪和輪座，中間段為套筒和導桿，下部為可以調節高度的機床墊鐵。其中彈性組件由碟簧通過一定方式組合而成，安裝在套筒內的導桿上，具有非線性彈性特性，其彈性特征如圖7所示。組合碟簧非線性彈性特性如圖8所示。

圖7 彈性支撐輪

圖8 組合碟簧非線性彈性特性

安裝時將支撐輪預壓至彈性拐點位置，這樣在轉臺轉動過程中，可以有效平衡由于偏心載荷造成的偏心距，同時又能減小因軌道面的高度不一致造成的支撐力不均勻的情況。其中，碟簧的承載能力為：

(2)

式中：P為碟簧的載荷；t為碟簧厚度；D為碟簧直徑；f為單片碟簧厚度；h0為蝶形彈簧壓平時變形量的計算值；E為彈性模量；μ為泊松比；K1、K4為試驗參數，可以查表獲得[3]。

可知碟簧具有變形量小、彈性剛度大、體積小、可以重疊使用的特性，非常適合本轉臺的應用。因此，在一維測試系統轉臺安裝到位后，艙內設備安裝前，將彈性支撐輪預壓縮至彈性拐點位置，并調節底下的機床墊鐵使輪子與軌道接觸。等到艙內設備和冷源安裝到位后將預壓縮的8組彈性支撐輪釋放，這樣每個輪組的支撐力保持在同一大小范圍。

3 驗證計算

根據此支撐結構，相同方式加載邊界條件的基礎上，在輪軌的圓周上8處均勻分布位置加載相應的支撐力[5]，Mises應力及位移計算結果如圖9、圖10所示。

圖9 加彈性輪支撐后的Mises應力云圖

圖10 加彈性輪支撐后的位移云圖

根據計算結果，轉盤的最大位移為3 mm，最大位移位于安裝冷源伸出結構處。但是由于彈性輪的支撐，應力集中區域由斜支撐根部轉移至冷源的安裝位置處。該處的主梁受力較大，產生較大應力集中，最大應力為98.9 MPa，但也遠小于材料的屈服應力。上部桅桿艙體由于安裝面分布于平臺周邊，接觸面較大、較分散，變形和應力都很小。中心立柱處由于結構較強，也未出現較大變形和應力。因此，該結構的設計合理，強度足夠，驗證了滾輪支撐結構形式的合理性。

4 結束語

本文通過對鋼平臺進行力學分析和有限元仿真，發現原有結構形式在極限載荷作用下存在應力集中和結構變形位移大的問題。作為一維系統測試狀態的主要承力和轉動構件，該部分結構的強度和剛度對整個轉臺的安全平穩精準運行起著至關重要的作用。通過在鋼平臺底面加裝圓形軌道，并均布加載彈性滾輪支撐的設計，顯著改善了鋼平臺結構的應力集中和變形位移情況。其中非線性彈性支承輪能夠抵消一部分偏心載荷、附加力矩和重力，使得鋼平臺和回轉支承的受力情況大大得到改善。彈性支承輪的設計是轉臺能夠安全平穩運行的有力保障，該結構形式安全可靠，設計合理。

[1] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] 張建偉.ABAQUS 6.12有限元分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3] 成大先.機械設計手冊:第3卷[M].5版.北京：化學工業出版社，2008.

[4] 熊霞元，程亞靜，李楊，等.大型單軸轉臺兩種軸系結構的有限元分析[J].航空精密制造技術，2012,48(4):48-50.

[5] 石志東，張守云.基于有限單元法結構滾輪支撐約束問題分析[J].機械工程師，2010(3):107-108.

MechanicsSimulationandStructureOptimizationDesignofLarge-scaleTurnTable

YU Li-feng,SHEN Zhen

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper performs the strength and stiffness simulation analysis to the platform structure of large-scale one dimension test system turn table,discovers that the local deformation is large,the stress concentration problem is obvious and definite potential safety hazard exists in the case of eccentric load.By setting circular orbit on the bottom of the platform and installing nonlinear elastic support wheels at eight evenly distributed positions of the track to provide supporting force,the force condition of whole platform is optimized,the constraint condition that the steel platform suffered is improved,its dynamic characteristics is increased greatly,the safety and stable operation of the turntable are ensured.

mechanics analysis;finite element analysis;elastic support;nonlinear elastic support wheel

TP391.7

B

CN32-1413(2017)05-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.026

2017-07-10